本發(fā)明涉及光通信芯片技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種應(yīng)用于高速光接收機的跨阻放大器。

背景技術(shù)：

在光通信系統(tǒng)中，接收端通過光檢測器(光電二極管)產(chǎn)生的電流信號可能很微弱，而光接收機前置放大器的作用就是進行跨阻變換，將光電流信號放大成一定幅度的電壓信號，供后級電路在電壓域進行信號處理。故高速光通信系統(tǒng)中的前置放大器稱為跨阻放大器(transimpedanceamplifier，以下簡稱tia)。在帶寬滿足系統(tǒng)傳輸速率的前提下，不僅要求跨阻放大器有較低的噪聲，同時還要提供足夠的增益來放大信號、抑制后級模塊的噪聲。而高帶寬和低噪聲一般互斥，故高速跨阻放大器噪聲性能很難提高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于高速光接收機的跨阻放大器及設(shè)計方法，具有低噪聲、高增益、高帶寬的優(yōu)點，以提高現(xiàn)有tia的噪聲性能。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種應(yīng)用于高速光接收機的跨阻放大器，包括三級高增益放大器a和反饋電阻rf；三級高增益放大器a的三級分別為第一級放大器a1、第二級放大器a2和第三級放大器a3；第一級放大器a1的輸出端接第二級放大器a2的輸入端，第二級放大器a2的輸出端接第三級放大器a3的輸入端；反饋電阻rf兩端分別接第一級放大器a1的輸入端和第三級放大器a3的輸出端。

進一步的，三級高增益放大器a內(nèi)部，先降低第一級放大器a1的帶寬，提高第一級放大器a1的增益，通過將后兩級第二級放大器a2和第三級放大器a3設(shè)置為連續(xù)時間線性均衡器(ctle:continuous-timelinearequalizer)，采用帶寬恢復技術(shù)將三級高增益放大器a的總帶寬恢復到所需值。

進一步的，帶寬恢復技術(shù)為電感峰化(inductivepeaking)或電容退化(capacitivedegeneration)。

進一步的，所述反饋電阻rf為可調(diào)電阻。

進一步的，反饋電阻rf包括并聯(lián)設(shè)置的晶體管mn4和電阻r3。

進一步的，第一級放大器a1的輸入端連接等效輸入電容cin；等效輸入電容cin一端連接第一級放大器a1的輸入端，另一端接地；第三級放大器a3的輸出端連接后級電路的等效電容cload；后級電路的等效電容cload一端連接第三級放大器a3的輸出端，另一端接地。

進一步的，第一級放大器由輸入跨導晶體管mn1和負載晶體管mp1組成；第二級放大器由跨導晶體管mn2、負載電阻r1、串聯(lián)電感l(wèi)1組成；第三級放大器由跨導晶體管mn3、負載電阻r2、串聯(lián)電感l(wèi)2組成；反饋電阻rf由電阻r3和晶體管mn4組成；輸入晶體管mn1的柵端接輸入、電阻r3的左端和晶體管mn4的漏端；晶體管mn1源端接地，漏端接晶體管mp1的漏端和晶體管mn2的柵端；晶體管mp1的柵端接偏置電壓v1，源端接vdd；晶體管mn2的源端接地，漏端接電阻r1的下端和晶體管mn3的柵端；晶體管mn3的源端接地，漏端接電阻r2的下端、電阻r3的右端和晶體管mn4的源端；電阻r1的上端接電感l(wèi)1的下端；電阻r2的上端接電感l(wèi)2的下端；電感l(wèi)1的上端接vdd；電感l(wèi)2的上端接vdd；反饋電阻rf由電阻r3和mn4并聯(lián)組成：晶體管mn4的柵端接偏置電壓v2；晶體管mn1的柵端、晶體管mn4的漏端和電阻r3的左端共接，作為跨阻放大器的輸入端；晶體管mn3的漏端、晶體管mn4的源端、電阻r3的右端和電阻r2的下端共接，作為跨阻放大器的輸出端。

一種應(yīng)用于高速光接收機的跨阻放大器的設(shè)計方法，包括以下步驟：

第一步、設(shè)計三級高增益放大器a：

1)設(shè)計第一級放大器a1：設(shè)計第一級放大器a1的帶寬為放大器a的總帶寬的1/3～1/2；

2)設(shè)計第二級放大器a2和第三級放大器a3：將第二級放大器a2和第三級放大器a3設(shè)置為連續(xù)時間線性均衡器，采用帶寬恢復技術(shù)將三級高增益放大器a的總帶寬恢復到所需值；

第二步、設(shè)計反饋電阻rf：滿足整個跨阻放大器閉環(huán)帶寬的要求；

其中，第一級放大器a1的輸出端接第二級放大器a2的輸入端，第二級放大器a2的輸出端接第三級放大器a3的輸入端；反饋電阻rf兩端分別接第一級放大器a1的輸入端和第三級放大器a3的輸出端。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果是：

1)主動降低第一級放大器a1的帶寬，這樣本級放大器增益提高。帶寬降低使得可以用有源負載電阻代替?zhèn)鹘y(tǒng)的無源負載電阻，增大負載電阻；而使用有源負載進一步允許輸入跨導管偏置在較高的電流密度而不受有限的電源電壓影響。同時，帶寬降低允許更多的寄生電容，即可以使本級和下一級晶體管采用更大的尺寸，增大了跨導。更大的偏置電流密度和晶體管尺寸增加了該級的跨導，而跨導的提高降低了該級放大器等效到輸入端的噪聲。因為放大器第一級a1的噪聲是三級放大器a噪聲的主導部分，故整個放大器a等效到輸入端的噪聲降低。同時，第一級放大器增益的提高可以抑制后級放大器等效到輸入端的噪聲。

2)后兩級放大器a2、a3設(shè)置為連續(xù)時間線性均衡器，采用帶寬恢復技術(shù)(如電感峰化、電容退化等)，恢復放大器a1在高頻部分的增益損失，使得三級放大器a的總帶寬恢復到所需值，以保證tia的閉環(huán)穩(wěn)定性和其他性能要求。

3)傳統(tǒng)的用于構(gòu)成tia的環(huán)路內(nèi)部放大器，由于多級級聯(lián)帶寬下降迅速，容易造成tia的閉環(huán)不穩(wěn)定，多采用單增益級。此處三級放大器的結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)的單級放大器，在帶寬相同的前提下增益更大，使tia可以采用更大的反饋電阻rf，得到較高的跨阻增益。這樣不但降低了反饋電阻rf的噪聲和系統(tǒng)整體的白噪聲，而且有效的抑制了tia后級電路模塊的噪聲。同時，較大的輸入級跨導也顯著降低了放大器a的噪聲。

4)等效反饋電阻rf設(shè)為可調(diào)電阻，如圖2所示，其阻值由晶體管mn4和電阻r3并聯(lián)決定，通過改變晶體管mn4的柵端電壓，可以改變反饋電阻rf的值。正常工作時晶體管mn4的柵端電壓為0v；而在輸入電容過大，tia帶寬下降時，通過提高mn4柵極電壓，降低mn4的輸出電阻，從而降低rf，恢復帶寬，保證性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提出的環(huán)路內(nèi)部放大器先降帶寬再恢復帶寬的跨阻放大器的原理框圖；

圖2是采用本發(fā)明技術(shù)的具體實施例的低噪聲高增益跨阻放大器的電路結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明技術(shù)的具體實施例的三級高增益放大器a的a1、a2、a3各級及總的三級高增益放大器a的增益曲線。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖2對本發(fā)明的實施方式做進一步詳細描述。

請參閱圖1所示，本發(fā)明一種應(yīng)用于高速光接收機的跨阻放大器，包括：一個三級高增益放大器a，其三級分別為a1、a2、a3，一個可變反饋電阻rf。

連接方法為：等效輸入電容cin的一端連接第一級放大器a1的輸入端，等效輸入電容cin的另一端接地；三級放大器a的第一級放大器a1的輸出端接第二級放大器a2的輸入端，第二級放大器a2的輸出端接第三級放大器a3的輸入端；反饋電阻rf兩端分別接在第一級放大器a1的輸入端和第三級放大器a3的輸出端；后級電路的等效電容cload一端接在第三級放大器a3的輸出端，另一端接地。

其設(shè)計思想為：在三級放大器a內(nèi)部，先降低第一級放大器a1的帶寬，提高a1的增益，通過將后兩級放大器a2、a3設(shè)置為連續(xù)時間線性均衡器，采用帶寬恢復技術(shù)(如電感峰化、電容退化等)將三級放大器a的總帶寬恢復到所需值。

如圖2示，本發(fā)明一種應(yīng)用于高速光接收機的跨阻放大器，包括三級放大器、反饋電阻，以及輸入輸出電容；晶體管均使用的mos管：

第一級放大器由輸入跨導晶體管mn1和負載晶體管mp1組成；第二級放大器由跨導晶體管mn2、負載電阻r1、串聯(lián)電感l(wèi)1組成；第三級放大器由跨導晶體管mn3、負載電阻r2、串聯(lián)電感l(wèi)2組成；反饋電阻rf由電阻r3和晶體管mn4組成；輸入電容cin是等效輸入電容；負載電容cload用來等效后級模塊的電容。

具體的連接方式為：輸入晶體管mn1的柵端接輸入、電阻r3的左端和晶體管mn4的漏端；晶體管mn1源端接地，漏端接晶體管mp1的漏端和晶體管mn2的柵端；晶體管mp1的柵端接偏置電壓v1，源端接vdd；晶體管mn2的源端接地，漏端接電阻r1的下端和晶體管mn3的柵端；晶體管mn3的源端接地，漏端接電阻r2的下端、電阻r3的右端和晶體管mn4的源端；電阻r1的上端接電感l(wèi)1的下端；電阻r2的上端接電感l(wèi)2的下端；電感l(wèi)1的上端接vdd；電感l(wèi)2的上端接vdd；反饋電阻rf由電阻r3和mn4并聯(lián)組成：晶體管mn4的柵端接偏置電壓v2；電容cin是等效輸入電容，一端接晶體管mn1的柵端、晶體管mn4的漏端和電阻r3的左端，另一端接地；電容cload是等效負載電容，一端接晶體管mn3的漏端、晶體管mn4的源端、電阻r3的右端和電阻r2的下端，另一端接地。

在此實施例中，采用的是180nmcmos工藝，電源電壓1.8v，信號傳輸速率為10gb/s，等效輸入電容cin為200ff、等效負載電容cload為50ff時。如圖3示，晶體管mn1和mp1組成的第一級放大器的-3db帶寬為4.3ghz，經(jīng)過第二級放大器和第三級放大器采用電感峰化技術(shù)恢復帶寬后，整個三級放大器的開環(huán)帶寬為11ghz，增益為26db，實現(xiàn)了總增益帶寬積220ghz，超過180nmcmos工藝轉(zhuǎn)角頻率(ft＝50ghz)4倍多。反饋電阻rf的阻值為2.26kω，其中電阻r3的阻值為2.26kω，晶體管mn4的柵端電壓為0v。

整個tia的閉環(huán)-3db帶寬為7.2ghz，滿足系統(tǒng)傳輸速率10gb/s的要求?？缱柙鲆孑^大為66.6dbω，不僅將微弱的輸入電流信號放大為更大的輸出電壓信號，同時更好的抑制了電路后級模塊的噪聲。整個tia的整體等效輸入噪聲為0.86μarms，噪聲性能優(yōu)異。

本發(fā)明通過在tia的放大器內(nèi)部采用先降帶寬，再恢復帶寬的結(jié)構(gòu)，可以在保證系統(tǒng)傳輸速率所需帶寬的情況下，提高tia的跨阻增益，降低tia的等效輸入噪聲。高增益不僅可以得到較大的輸出信號，同時也有助于抑制后級電路模塊等效到輸入端的噪聲，更進一步的提高系統(tǒng)整體噪聲性能，增加光接收機靈敏度。

本發(fā)明一種應(yīng)用于高速光接收機的跨阻放大器的設(shè)計方法，包括以下步驟：

第一步、設(shè)計三級高增益放大器a：

1)設(shè)計第一級放大器a1：設(shè)計第一級放大器a1的帶寬為放大器a的總帶寬的1/3～1/2；

2)設(shè)計第二級放大器a2和第三級放大器a3：將第二級放大器a2和第三級放大器a3設(shè)置為連續(xù)時間線性均衡器，采用帶寬恢復技術(shù)將三級高增益放大器a的總帶寬恢復到所需值；

第二步、設(shè)計反饋電阻rf：滿足整個跨阻放大器閉環(huán)帶寬的要求。

進一步的，反饋電阻rf在滿足整個跨阻放大器閉環(huán)帶寬的要求下取最大值。

綜上所述，本發(fā)明能夠在保證tia傳輸速率的前提下，顯著提高tia環(huán)路內(nèi)放大器的增益，從而得到了較大的跨阻增益，并降低了反饋電阻rf的噪聲和系統(tǒng)的白噪聲；同時，該放大器的結(jié)構(gòu)降低了放大器本身的噪聲。故tia輸入總噪聲可明顯降低。